路劲性骨架钢管拱桥施工过程仿真分析(建模部分)毕业设计

1、毕业设计铁路劲性骨架钢管拱桥施工过程仿真分析Railway CFST Arch Bridge Construction Process Simulation Analysis 0000 届 土木工程 学院专 业 土木工程 学 号 学生姓名 指导老师 完成日期 2012年5月22日摘 要劲性骨架混凝土拱桥填充的混凝土能延缓钢管的局部屈曲，钢管能加强混凝土的抗拉能力，并且提高其抗压强度和延性。此外，在施工中管也是作为一个混凝土的模板。在中国经济快速发展情况下，钢管混凝土成为一个好的钢筋混凝土拱桥或钢拱桥替代品。由于其施工过程为关键，本课题以尤溪大桥施工为背景，为了保证最终的成桥线形和受力状态满足设

2、计要求，为施工控制提供合理的科学依据，需要通过桥梁施工方法和有限元软件，对施工过程采用空间仿真计算。尤溪大桥拱圈跨度为140m,采用内灌外包技术。分析方法采用容许应立法和应力叠加法。分析过程首先针对客观条件，选用拱桥的施工方法；其次，对施工步骤进行了合理划分，分别论述了各个步骤的内容；然后用有限元软件按照施工过程进行仿真分析。最后输出结果，完成相应计算。空间仿真计算结果表明：通过施工仿真计算不仅能对整个施工过程进行描述，反映全过程的受力行为，而且还能确定各个施工阶段的合理状态，为施工监测监控提供中间目标状态。施工仿真计算已成为现代桥梁确定静力状态的主要手段，对劲性骨架混凝土拱桥建设具有一定的指

3、导意义和参考价值。 关键词： 钢管混凝土 拱桥 施工阶段 有限元分析 AbstractConcrete filled steel tube arch bridge can delay the local buckling of steel tubes, and steel also reinforce tensile strength of concrete, and improve the compressive strength and ductility .Furthermore, in the construction of the pipe is also used as a con

4、crete template. under the condition of the rapid development of economy in China , Concrete filled steel tube as a perfect reinforced concrete arch bridge or arch replacement. As the construction is the key, the subject which use the construction of Youxi bridge as the background study the space sim

5、ulation by finite element program to ensure that the final bridge line and stress state meet the design requirements ,moreover provide the rational scientific basis .Youxi bridge main span is 140m constructed by the pouring -outsourcing technology. Methods of analysis use the allowable stress of met

6、hod and stress superposition method. Firstly, In view of the objective conditions, this paper select the construction method of arch bridge ; Secondly, the construction steps is divided reasonably and discusses the content of various steps; Then by using the finite element software according to the

7、construction process operates simulation analysis; finally output achievements and complete the calculation.The space simulation analysis result indicate : simulation not only describe the whole construction course response the strength behavior of whole offer the middle goal state for constructing

8、and monitoring controllingConstruction simulation analysis has become a dominating method of static analyzing modem bridge already .It is useful for the guidance and the reference to the readers who engage in bridge construction.Key words: Concrete filled steel tube Arch bridge Construction stage Fi

9、nite element Analysis目 录第1章 绪 论11.1钢管混凝土定义11.1.1钢管混凝土拱桥截面构造形式11.1.2钢管混凝土拱桥结构分类31.2钢管混凝土拱桥发展状况31.2.1目前国内外研究51.2.2目前的施工方法6第2章 尤溪大桥设计72.1 尤溪大桥设计资料72.2 尤溪大桥施工方法72.3 仿真分析的意义与原则8第3章 仿真分析过程103.1概述103.1.1有限元的基本原理103.1.2有限元的发展113.2 MIDAS与AutoCAD之间单向导入的应用123.2.1坐标计算123.2.2导入123.3骨架边界约束定义143.4悬拼过程与扣索拉力的确定143.5

10、内灌混凝土的分析153.6 外包混凝土的模拟163.6.1 混凝土与钢管之间的连接163.6.2 混凝土变截面与变截面组的应用173.7拱上立柱施173.8连续梁架设183.9车道荷载加载193.10施工阶段的定义203.11钝化与激活的应用21第4章 有限元计算结果分析224.1位移分析224.2应力分析284.3塔吊设计结果344.4仿真分析结果总结35第5章 结论展望37参考文献38致 谢39附 录40附录A40附录B4917 / 22文档可自由编辑打印第3章 仿真分析过程3.1概述仿真分析将在有限元软件MIDAS/Civil环境下模拟，结构有限元分析软件MIDAs/Civil是一种在桥

11、梁设计领域通用的结构分析和优化设计的有限元分析软件。MIDASCivil不仅是通用的结构分析软件，而且还可以分析如预应力箱型桥梁、悬索桥、斜拉桥等特殊的结构形式，并且可以进行桥梁施工阶段分析、水化热分析、静力弹塑性分析、支座沉降分析、大位移分析，是强有力的土木工程分析与优化设计系统。(1)对劲性骨架混凝土拱桥施工阶段与方法进行研究，包括对劲性骨架混凝土拱桥施工控制仿真分析方法原理上进行阐述。(2)以尤溪大桥为背景，详细总结和分析劲性骨架混凝土拱桥施工仿真计算结构构件的有限元模拟方法，并利用有限元计算软件MIDAS/Civil进行施工控制仿真计算，包括各施工阶段内力、应力、变形计算。(3)对施工

12、控制仿真计算结果进行详细的分析，总结出劲性骨架混凝土拱桥施工控制相关参数的变化规律。3.1.1有限元的基本原理有限元方法(finite element method) 或有限元分析(finite element analysis)，是求取复杂微分方程近似解的一种非常有效的工具，是现代数字化科技的一种重要基础性原理。将它用于在科学研究中，可成为探究物质客观规律的先进手段。将它应用于工程技术中，可成为工程设计和分析的可靠工具。严格来说，有限元分析必须包含三个方面：(1)有限元方法的基本数学力学原理，(2)基于原理所形成的实用软件，(3)使用时的计算机硬件。随着现代计算机技术的发展，一般的个人计算机

13、就能满足第(3)方面的要求；采用有限元方法可以针对具有任意复杂几何形状的结构进行分析，并能够得到准确的结果。其原因就是有限元方法是基于“离散逼近(discretized aPProximation) ”的基本策略，可以采用较多数量的简单函数的组合来“近似”代替非常复杂的原函数。一个复杂的函数，可以通过一系列的基底函数(base function)的组合来“近似”，也就是函数逼近。 基于分段的函数描述具有非常明显的优势：(1)可以将原函数的复杂性“化繁为简”，使得描述和求解成为可能，(2)所采用的简单函数可以人工选取，因此，可取最简单的线性函数，或取从低阶到高阶的多项式函数，(3)可以将原始的微

14、分求解变为线性代数方程。但分段的做法可能会带来的问题有：(1)因采用了“化繁为简”，所采用简单函数的描述的能力和效率都较低，(2)由于简单函数的描述能力较低，必然使用数量众多的分段来进行弥补，因此带来较多的工作量。 综合分段函数描述的优势和问题，只要采用功能完善的软件以及能够进行高速处理的计算机，就可以完全发挥“化繁为简”策略的优势，有限元分析的概念就在于此。 3.1.2有限元的发展有限元方法的思想最早可以追溯到古人的“化整为零”、“化圆为直”的作法，如“曹冲称象”的典故，我国古代数学家刘徽采用割圆法来对圆周长进行计算；这些实际上都体现了离散逼近的思想，即采用大量的简单小物体来“冲填”出复杂的

15、大物体。 早在1870 年，英国科学家 Rayleigh 就采用假想的“试函数”来求解复杂的微分方程，1909年Ritz 将其发展成为完善的数值近似方法，为现代有限元方法打下坚实基础。 20世纪 40 年代，由于航空事业的飞速发展，设计师需要对飞机结构进行精确的设计和计算，便逐渐在工程中产生了的矩阵力学分析方法；1943年，Courant发表了第一篇使用三角形区域的多项式函数来求解扭转问题的论文；1956年波音公司的 Turner ，Clough ，Martin和Topp 在分析飞机结构时系统研究了离散杆、梁、三角形的单元刚度表达式；1960年Clough 在处理平面弹性问题，第一次提出并使用

16、“有限元方法”(finite element method) 的名称；1955年德国的Argyris出版了第一本关于结构分析中的能量原理和矩阵方法的书，为后续的有限元研究奠定了重要的基础，1967年Zienkiewicz 和Cheung出版了第一本有关有限元分析的专著；1970 年以后，有限元方法开始应用于处理非线性和大变形问题；我国的一些学者也在有限元领域做出了重要的贡献，如胡海昌于1954提出了广义变分原理，钱伟长最先研究了拉格朗日乘子法与广义变分原理之间关系，钱令希在20世纪五十年代就研究了力学分析的余能原理，冯康在20世纪六十年代就独立地、并先于西方奠定了有限元分析收敛性的理论基础。随

17、着计算机技术的飞速发展，基于有限元方法原理的软件大量出现，并在实际工程中发挥了愈来愈重要的作用；目前，专业的著名有限元分析软件公司有几十家，国际上著名的通用有限元分析软件有ANSYS，ABAQUS，MSC/NASTRAN，MSC/MARC，ADINA，ALGOR，RO/MECHANICA，IDEAS ，还有一些专门的有限元分析软件，如LS-DYNA，DEFORM，AM-STAMP, AUTOFORM ，SUPER-FORGE 等，都为有限元应用的推广作出了很大贡献。 3.2 MIDAS与AutoCAD之间单向导入的应用由于仿真分析的模型比较复杂，为方便起见，我们选择在CAD中画出各个单元的轴线

18、，然后再导入MIDAS，成为梁单元，在此之前我们要做相应的准备工作。3.2.1坐标计算首先根据设计资料将控制坐标输入到Excel文档中，根据几何关系计算出单元的轴线坐标。截面高度 (3-1)混凝土轴线 (3-2) (3-3) (3-4)L各环混凝土轴线距离骨架下边缘中心的长度(m)H骨架截面高度(m)上弦内侧钢管坐标(m)上弦外侧钢管坐标(m)下弦内侧钢管坐标(m)下弦外侧钢管坐标(m)输出坐标后，在CAD中画出各个梁单元的轴线，在画轴线的时候应注意以下原则：(1)不同截面的单元设为不同的图层，这是为了方便导入MIDAS时截面和材料的设定，并且名字用英文命名。(2)不同功能的杆件同样定义为不同

19、图层，这是为了在画轴线时能关闭不必要的图层，方便绘图。(3)画完图之后，在CAD的格式中将单位设置成MIDAS默认的单位。3.2.2导入导入后，在MIDAS中根据设计资料将单元定义为相应材料与截面。(如图3-1)图3-1 添加截面材料属性导入之后，MIDAS会在组结构中自动生成一个以图层名的命名的结构组，为之后在视图中更好的使用钝化和激活功能，我们将这一结构组保留下来。那么导入之后的模型效果如3-2所示。图3-2 导入后的骨架模型3.3骨架边界约束定义在MIDAS建立出劲性骨架的模型之后要定义边界组。当前要编辑的边界组有拱坐约束和扣索约束。定义约束要尽可能的符合工程实际的情况，基于此,仿真分析

20、中把每个拱肋的四根钢管设计为固定端约束，扣索的约束点定义为固定铰约束。由于这是模拟的半跨骨架，所以在跨中将每根钢管的Z向位移释放。当然这只是理想化的定义，与实际会存在一定的误差。在MIDAS中，以上边界编辑在一般支撑中进行添加，首先要添加边界组，定义名称然后选取节点后，选中要约束的方向，最后点击适用。在定义边界组时，要把相同属性的约束定义为一个组。3.4悬拼过程与扣索拉力的确定劲性骨架施工过程采用的是斜拉扣挂法，即在每一节骨架拼装完毕之后，加一道扣索，调整骨架的内力，直至骨架合拢才解除扣索。悬臂长度要考虑到骨架的承受能力和位移，以及扣索的极限拉力。在MIDAS中，模拟斜拉扣挂法时，把每一节骨架

21、以及相对应的扣索定义为单独的结构组，按照施工顺序在施工阶段中调整激活顺序。(图3-3)图3-3 悬臂拼装组定义图3-4 扣索拉力值 (1)定义结构组首先在结构组中新建要定义的结构组，在界面中选中结构组中要包括的单元，然后利用MIDAS的拖拽功能，将单元赋于该结构组。结构荷载组自重的荷载工况设置为施工阶段荷载，因为在模拟施工阶段时，荷载是伴随着结构的添加而激活的，而施工阶段荷载就是为种种情况而设定的。(2)扣索单元的建立扣索在实际中是只受拉的杆件，在程序中要将扣索设置为只受拉的索单元，将扣索的拉力设置为预拉力荷载，荷载组定义后，将拉力添加到指定扣索中。根据功能，将扣索分组为主拉扣索，05号扣索，

22、在骨架合龙后再把扣索钝化。另外要注意的是扣索的约束要在激活阶段设置为变形前，否则运行后扣索的约束点会发生移动，起不到约束的作用。(3)悬臂长度和扣索拉力的调整 这个过程需要在程序中反复验算，直至位移和应力达到合理的状态。经过运算，得到了比较理想的扣索拉力。(图3-4)3.5内灌混凝土的分析对于钢管混凝土拱肋的材料特性的主要处理方式有三种，一种是将钢管混凝土截面换算为一种材料，即转换成钢或混凝土截面，然后当作单一截面计算截面特性。另一种是认为钢管混凝土是一种组合结构，分别按钢和混凝土构件进行截面特性计算，最后两者叠加。第三种方法是认为钢管混凝土是一种符合材料，弹性模量取综合弹性模量，截面特性根据

23、实际尺寸计算。第一种方法是沿用钢筋混凝土的设计方法，简单易行。第二种方法是把钢管和管内核心混凝土作为两个平行杆件来计算不考虑两者的联合作用，计算理论相对比较成熟。第三种方法考虑了钢管和混凝土的相互作用，更为符合实际情况，但到目前为止所做的研究工作依然不够充分，较少应用于工程实践中。在有限元模型中，上弦均简化为空间梁单元，模拟钢管混凝土的梁单元截面特性采用第二种方法，即将钢管和管内核心混凝土作为两个平行杆件来计算。在程序中，在施工阶段中定义出內灌混凝土阶段，之后使用施工阶段联合截面，由于悬臂拼装分为7个阶段，因此在联合截面组中相应的也设为7组。(图3-5)图3-5 施工阶段联合截面编辑在联合截面

24、编辑中，以钢管单元，C55混凝土为材料，在相应的施工阶段中进行叠合，按照各自的截面输入刚度和理论厚度。3.6 外包混凝土的模拟3.6.1 混凝土与钢管之间的连接拱圈混凝土采用四环六面法分环分段进行浇筑，每一环混凝土都是在上一环混凝土达到一定强度后才进行浇筑。在这个过程中，应该注意两点：(a)当外包混凝土达到一定强度后，一环和四环混凝土都是直接与钢管协同受力，相邻的各环混凝土是直接协同受力。(b)混凝土在浇筑时，不参与承受荷载，仅仅作为荷载作用在骨架上，当其初凝结束后，下一环浇筑时才起到承受荷载的作用。在仿真分析过程中，本环节将采取以下步骤：(1)从CAD的DXF文件中导入各环混凝土的轴线，就在

25、MIDAS中生成各环混凝土单元。(2)按照实际情况，将混凝土单元旋转5.37，与劲性骨架平行。(3)考虑到情况(a)，在MIDAS中，将一环混凝土至四环混凝土之间加上弹性连接的刚性连接，并且考虑到更精确的模拟各杆件之间的协同受力，又把钢管和混凝土单元进行更细的分割。(4)考虑到情况(b),混凝土浇筑时，先定义各环的自重荷载组，在程序的施工阶段中我们先激活节点，节点的弹性连接以及自重荷载组(图3-6)，下一个阶段混凝土达到强度后，激活该环混凝土单元，并且将自重荷载组钝化掉，这就完成了其中一环混凝土的浇筑，其他环的混凝土按照相同的步骤进行模拟。图3-6 一环自重荷载组的激活3.6.2 混凝土变截面

26、与变截面组的应用第三环混凝土为变截面，所以要使用变截面与变截面组。首先要定义变截面(图3-7)，在编辑界面中输入数据，第三环混凝土的截面会变成锯齿状。其次要定义变截面组，选中单元后，在工作界面中使用拖拽功能将变截面组赋予三环混凝土，这样混凝土单元的截面会成为渐变的截面。图3-7 变截面的定义3.7拱上立柱施拱上立柱的构造形式为双斜柱式，靠近边跨的三个立柱是有横梁的，并且立柱与横梁之间有隔板相连。首先按照图纸编辑立柱和横梁的截面尺寸，拟定出各个端点的坐标。在立柱与拱肋相接的地方，给拱肋节点和立柱底端节点加上刚性连接，在施工阶段中和立柱单元一起激活。(图 3-8)图3-8 拱上立柱施工3.8连续梁

27、架设连续梁为三跨一联构造，中间设有10mm的梁缝，一端为固定铰支座，一端为滑动铰支座。在仿真分析中，把连续梁与立柱接触的位置，设为刚性连接，其中固定铰支座要释放Y方向的转角，滑动铰支座释放X方向位移和Y方向转角。(图3-9)图3-9 连续梁施工3.9车道荷载加载车道荷载采用标准中-活载双线加载，其中连续梁的长度为156m，而模型是该长度的一半，所以荷载不能在原模型上直接加载。在另一个文件中，建立一个连续梁单元，加载车道荷载。计算出支座反力，再按节点荷载加到拱上立柱。图3-10 梁单元的车道荷载的施加图3-11 拱桥车道荷载施加表3-1 支座反力(单位：kN)墩位号节点荷载0191.71365.

28、32347.63347.24346.65346.66346.6 3.10施工阶段的定义施工阶段按照工程实际的施工步骤原理来定义。一般来讲，桥梁仿真分析中施工阶段划分得越细，其仿真结果越精确，但建立模型也越复杂，计算耗时越多，所以仿真中施工阶段的划分需要遵循一定的原则：在满足施工控制要求的精度内，施工阶段划分得越少越好。本文将该拱肋的吊装施工过程划分为26施工阶段，具体情况如下表。表3-2 施工阶段划分表阶段激活项目钝化项目阶段激活项目钝化项目1边立柱、0节、拱座约束、自重16一环混凝土节点、一环的弹性连接，一环自重荷载组2主扣索、扣索0 、拉力017实心段、一环混凝土单元一环自重荷载组31节1

29、8二环混凝土节点、二环的弹性连接、二环自重荷载组4扣索1、拉力119二环混凝土单元二环自重荷载组52节20三环混凝土节点、三环的弹性连接，三环自重荷载组6扣索2、拉力221三环混凝土单元三环自重荷载组73节22四环混凝土节点、四环的弹性连接，四环自重荷载组8扣索3、拉力323四环混凝土单元四环自重荷载组94节24立柱、立柱底端刚性连接10扣索4、拉力425连续梁、连续梁支座115节26添加车道荷载12扣索5、拉力5136节14合龙所有扣索、所有拉力15联合截面3.11钝化与激活的应用在MIDAS界面中，经常遇到边界复杂结构单元的情况，单元之间互相影响给编辑造成了很大的麻烦。激活和钝化功能可以从

30、一定程度上解决这个问题。当要编辑某几个单元时，可以单独激活结构组。在按属性激活的界面中(图 3-12)，激活要编辑的单元，这样会更清晰的观察编辑的情况。钝化主要是用于选中单元的情况，在复杂结构单元中，将不在编辑范围内的单元使用钝化，只显示要选中的单元。合理的使用钝化与激活功能会方便很多。图3-12 按属性激活界面第4章 有限元计算结果分析4.1位移分析在MIDAS/Civil仿真分析过程中可以计算出每个阶段的位移大小，下图就是选出的主要阶段位移图例，在拼装本节骨架阶段张拉扣索后，为了便于下一节骨架拼装，应该使本节骨架位移尽量小，通过调节各个扣索拉力以及施工控制得出了以下结果：表4-1 扣索拉力

31、值(kN)扣索名称张拉力值0#扣索1501#扣索1502#扣索1503#扣索1504#扣索2005#扣索200需要说明的是在运营阶段变形最大的是钢管骨架，从边跨开始的0#墩位移是2.62mm，1#立柱位移是4.85mm，2#立柱位移是12.19mm，3#立柱位移是22.42mm，4#位移立柱是32.27mm，5#立柱位移为36.35mm,除了根据图纸上设骨架预拱度外，还应考虑增加立柱施工的浇筑高度,表4-2是各个阶段的最大位移：表4-2 主要阶段位移表(单位：mm)阶段名称最大位移索0张拉2.95索1张拉8.13索2张拉10.07索3张拉11.11索4张拉12.65索5张拉15.58合龙-10.03內灌混凝土-22.58一环混凝土浇筑-56.31二环混凝土浇筑-67.63三环混凝土浇筑-75.03四环混凝土浇筑-88.73拱上立柱施工-87.03连续梁施工-104.78运营阶段-130.24 致 谢毕业设计是对大学学习的最后一个环节，是对自身学习水平的检验，在论文的写作过程中遇到了无数的困难和障碍，都在老师和同学的帮助下度过了。在这个过程中虽然困难，但我体会到了学习的乐趣。尤其要强烈感谢